2 控制器硬件系统的设计
    通过方案设计，可以确定控制系统的硬件结构，即温度传感器输入的模拟量经过温度采集模块送入单片机；开关量经过保护电路后也送入单片机；实时时钟模块保持与单片机的通信，用于系统计时；输出控制部分，需要外围驱动电路来控制继电器；通信部分，通过RS485接口模块挂接到通信总线上实现联网功能，RS 485的总线式拓朴结构允许在同一总线上最多可以挂接128个结点。线控操作面板，同样通过RS 485接口模块挂接到RS 485总线上，它包含LCD显示模块和便捷的按键电路，提供给用户灵活的操作，监控总线上的所有控制器。系统硬件结构框图如图2所示。

2．1 主控芯片ATmega16介绍
    ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS／MHz，通过将8位RISC CPU与系统内可编程的FLASH集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
    ATmega16具有如下特点：16 KB的系统内可编程FLASH(具有同时读写的能力)，512 B E2PROM，1 KB SRAM，32个通用I／O口线，确保足够的I／O口线可以用于开关量采集和开关量控制；用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程；三个具有比较模式的灵活定时器／计数器(T／C)，其中之一具有独立振荡器，可以用于实现实时时钟(RTC)，从而简化外围电路设计，节省了空间，也提高了效率；三个片外中断源，可以灵活使用；一个可编程串行USART，用于RS 485通信；8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，用于温度模拟量的采集；六个可以通过软件进行选择的省电模式，面向低功耗应用。另外还有两线串行接口(TWI)，一个SPI串行端口，便于系统的更新升级。
2．2 温度采集模块
    系统的温度传感器输入信号使用同样的调理电路，用模拟开关器件轮流选择每一通道，以达到分时采样的目的。这样既简化了外围电路，也节省了有限的ADC通道。使用的温度传感器类型为负温度系数 (NTC)热敏电阻，型号为MF51C 3470-502和MF51C3470-103，阻值精度±1％，前者用于对温度变化范围较小的环境温度和盘管温度的检测，后者用于对水温和排气温度的检测。
    热水器的最大使用概率温度约为45℃(318．15 K)，取一个电阻R，其阻值为45℃时的热敏电阻值，将热敏电阻R，与R串联。随着温度的改变，热敏电阻的阻值变化，两端电压也随之变化，45℃时对应的电压正好为参考电压的1／2，从而在参考电压范围内更好地测量温度。转换成的电压信号经由模拟开关选通，进入放大器构成的一阶低通滤波电路，用于消除噪声干扰和提高阻抗特性。最后输人ATmega16的ADC管脚，转换为数字信号供控制器做后续处理。
2．3 驱动控制模块
    热泵热水机组控制器所控制的压缩机、风机、循环水泵等设备的工作电压均为220 V，50 Hz，根据实际要求选用型号为JQX-36F的继电器(线圈电压12 V，触点负载220 V Ac 10 A)来控制强电。由于输出控制信号较多，采用集成多路驱动芯片ULN2003构成驱动电路来控制线圈得电或是断电，从而简化电路。芯片内部电路如图3所示，芯片引脚1～7是信号输入端(I1～I7)，10～16是输出信号(01～07)，8接地，9接电源，继电器线圈接在电源与输出之间(9和01～07之间)。

    根据ULN2003的输入、输出特性，当2003输入端为高电平时，对应的输出口输出低电平，继电器线圈通电，继电器触点吸合；当2003输入端为低电平时，继电器线圈断电，继电器触点断开；在2003内部已集成起反向续流作用的二极管，用于继电器线圈感性电路的瞬态抑制。
2．4 RS 485通信模块
    所有控制器与线控面板通过RS 485总线实现联网通信，控制信号和机组状态等数据通过RS 485总线进行传送。RS 485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等优点使其成为首选的串行接口。因为RS 485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以Rs 485接口均采用屏蔽双绞线传输。